用VR技术展示水泵水轮机流态特性

程永光，刘 辉，唐茂嘉，杨志炎，胡栋樑，龚 睿

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

虚拟现实技术(Virtual Reality)是一种可以使人以沉浸的方式进入和体验人为创造的虚拟世界的计算机仿真技术[1]。近年来VR技术已逐渐走向成熟并被应用于诸多领域之中，例如，在水利领域中就已有一定的应用：胡少军等利用VR技术初步构建了渠系仿真系统，通过实践证明了VR技术的运用能达到预期的漫游、 查询以及交互等目的[2]。朱孟伟研究了VR虚拟现实技术在舰船航行轨迹中的应用，使设置的栅格疏密值更加符合航行轨迹规划要求，所得到的航行轨迹更加合理[3]。詹平等开发了一种水电站厂房VR虚拟现实仿真系统，使用HTC Vive设备作为交互外设，探索了VR技术在水电领域中的运用，实现了VR模拟培训等功能，提高了水电站厂房设计及运行维护的效率[4]。

抽水蓄能电站是目前电网规模最大且高效的调节和蓄能手段，具有调峰填谷、调频调相、事故备用等重要功能。根据电网调度的要求，水泵水轮机需要在水泵工况(抽水)与水轮机工况(发电)之间频繁快速转换，在过渡过程中其工况多达20余种。如水泵水轮机在抽水过程中突然断电，其工作点将沿着特性曲线，从水泵工况开始，历经水泵制动工况、水轮机工况、水轮机制动工况，甚至反水泵工况，流态复杂多变[5]。其中，在S形区域，某一单位转速可能对应多个单位流量及单位力矩，更给水泵水轮机带来了诸多不稳定性问题[6]。水泵水轮机在各个工况的变化过程中，其效率特性、压力脉动特性、空化特性等均会发生明显变化，而这些特性的变化实质上均与流态有关，流态的变化是引起这些变化发生的根本原因，因此了解水泵水轮机内部流态的变化具有十分重要的意义。

20世纪60年代，随着计算机技术的不断提高，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)迅速发展，现已在诸多领域有较成熟的运用[7]。目前，众多学者运用CFD方法对水泵水轮机的流态特性开展了非常多的研究。然而，当前对于计算结果的后处理局限于静态的二维图像，具有不够直观生动的缺点，如参考文献[8-11]。为了探寻此问题的解决方法，本文主要论述了一种基于EnSight的水泵水轮机流态虚拟现实展示方法，并以某水泵水轮机为例，对其几个典型的工作点流态进行了分析，实践证明此种运用VR技术的后处理方法能做到生动形象地反映水泵水轮机内部流场信息。

1 基于EnSight的VR实现方法

1.1 EnSight概述

EnSight作为一款后处理软件，性能十分卓越，它的显示技术、动画功能、大规模数据的处理能力等均处于行业领先的地位。EnSight软件的应用范围包括 CFD、 FEA、碰撞、流体力学、 SPH等各个领域，十分广泛，为众多工程师和科研工作者提供了一种高性能的图形后处理方案，能帮助分析各种复杂的体系与流程。另外EnSight还支持虚拟现实的显示方式，可让分析人员借助虚拟现实显示系统更加直观准确的获取信息，提供了一种不同于传统二维平面显示的先进可视化方式，这是目前众多其他后处理工具所不具备的，基于此，本研究采用EnSight软件作为后处理与实现VR显示的工具。

1.2 EnSight接口介绍

EnSight作为专用的科学可视化平台，数据接口丰富，可以从大多数仿真工具中读取并可视化数据，除ANSYS之外，EnSight还具有AcuSolve、ADINA、Airpak、ABAQUS、ADAMS等数十款其他计算力学软件的数据接口。对这些商业软件，研究者可在EnSight中直接读取计算数据，创建和传达清晰、直观的仿真结果。同时，EnSight还具备自己的专有数据接口文件格式：EnSight5、EnSight6和EnSight Case Gold。以EnSight Case Gold格式为例，它需要的数据文件包含以下3类：①案例配置文件(encase文件)。该文件给出了数据版本的声明以及几何模型文件和数据文件的配置；②几何模型文件(geo文件)。文件中包含了模型所有的坐标及节点等信息；③数个数据文件(dat文件)。每个所计算的物理量单独组成一个数据文件，此类型文件可以包含各类自定义的计算结果[12]。

1.3 基于EnSight的VR实现方法

EnSight支持洞穴式、墙壁式和头戴式3种VR显示方式，本研究采用HTC Vive头戴式虚拟现实显示器。

任何许可证级别的EnSight用户都可使用HTC Vive虚拟现实显示系统。该系统需要EnSight ANSYS R19.2 / 10.2.6a或更高版本，Windows 7或更高版本以及 Steam / SteamVR 系统的安装，同时也要求计算机在最低配置要求之上。满足以上条件时，可按下列步骤实现VR显示：

(1)调试好VR设备所需环境。

(2)在计算机中创建一个环境变量CEI_INPUT=openvr。

(3)启动EnSight，正确佩戴设备，则在视线范围内，可以看到一个3D场景在附近。

(4)同时，HTC Vive设备的操控手柄也是可见的，左手柄可以用来移动虚拟现实场景，右手柄可用来移动光标工具、直线工具或平面工具等。

(5)在EnSight的编辑菜单中可进行对虚拟现实视图体的位置和大小的个性化设置以及虚拟现实注释平面的相关设置。

2 水泵水轮机流态VR展示

2.1 数值模型和条件

2.1.1 计算体型参数

本文以国内某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象，建立三维水力体型，整体过流部件包含蜗壳、导叶、转轮和尾水管4个部分，如图1所示。主要几何参数如表1所示，其中，D1为水泵水轮机在水轮机工况下的转轮进口直径，D2为转轮出口直径，Zb为转轮叶片数，nsv为固定导叶数，ngv为活动导叶数，GVO为导叶开度。

2.1.2 湍流模型及边界条件

计算采用商业软件ANSYS FLUENT，基于RNGk-ε模型在模拟水轮机的流动方面较好的效果，且广泛被应用，因此湍流模型选用RNGk-ε模型。

边界条件：进行模拟设置时，给定蜗壳进口压力，尾水管出口流量、机组转速，固体壁面设为无滑移边界。计算水泵、水泵制动、水轮机、水轮机制动、反水泵5个工况点。

2.1.3 网格及时间步长

使用ANSYS ICEM CFD软件对计算区域进行网格划分。蜗壳与导叶区域采用非结构化的四面体网格，转轮与尾水管区域则采用结构化的六面体网格。最终，整体网格数达到183万。

数值计算时选择SIMPLEC算法实现速度场和压力场的耦合迭代求解，压力项选择Second Order，其他各项选择一阶迎风格式。首先对该水泵水轮机进行三维定常数值模拟，在定常模拟达到稳定之后，将定常模拟结果作为非定常模拟的初始值，通过较长时间非定常计算，最后得到不同工况的非定常计算结果。非定常计算的时间步长为0.001 s，转轮每旋转一周计算240个时间步长，收敛残差目标值为0.000 1。

2.2 计算结果后处理及VR显示

计算完毕后，用EnSight进行后处理。可用EnSight直接打开Fluent的cas和dat文件，也可在Fluent的file-export-solution data中选择所需数据并输出EnSight Case Gold格式文件，所输出的文件包含一个案例配置文件(encas文件) 、一个几何模型文件(geo文件) 以及所选择的数个数据文件。用EnSight进行后处理时，采用输出EnSight Case Gold格式文件的方式处理计算数据兼容性更好，因此本研究选择采用此种方式。

在本研究过程中，所涉及的数据主要有流速、压力等，数据文件分为标量文件(scl文件)和矢量文件(vel文件)两类，其中，流速数据分为绝对流速与相对流速，绝对流速为相对流速与牵连速度的矢量叠加，分析水泵水轮机转轮内水流的流态特性时需要研究水流在叶道内的相对流动，即相对于叶片的运动，因此不能采用绝对速度文件，而在数据输出时默认不能输出相对速度矢量数据文件，仅有3个方向相对速度分量的标量数据文件，无法生成流线。但从EnSight的用户手册中可查得这两种类型数据文件的ASCII构成形式，用C语言或Python等计算机语言编写简单程序，则可由已知的x、y、z3个方向的相对速度分量标量数据文件组成所需要的相对速度矢量数据文件。在输出EnSight Case Gold格式文件之后，用EnSight选择encas文件并打开，即可读取所输出数据，实现计算结果的可视化。EnSight具有非常多的后处理功能，与之配套的还有EnVision 等软件，能为后处理结果的查看与交流提供更加方便的途径。在本研究中，通过在EnSight创建粒子追踪，可显示出水泵水轮机内各处流线分布，通过剖面、等值面、部件着色等功能，能做到显示和查看各处的压力大小等信息，同时，按照前文所述步骤操作，则可用VR设备对计算结果进行细致观察。

如图2所示，在HTC Vive虚拟现实显示器中，观察者可以看到与桌面上EnSight显示内容同步的3D场景，通过计算机创建的虚拟环境，观察者可以实现“走进”水泵水轮机内部，细致入微地查看水泵水轮机任意位置的流线分布、速度大小、转轮受力等流场信息，切身感受水泵水轮机内各工况流态变化，清楚地了解每一细节的流态特征。

图2 虚拟现实设备及水泵水轮机流态观测示意图

传统的后处理可视化局限于计算机显示器的平面视窗，而水泵水轮机是复杂的三维金属结构，再加上快速旋转，不少工况下水流运动紊乱，用一个一个的二维切面或平面图片进行观察或展示，难以获得形象、生动的复杂三维流态，且受固体阻挡，容易漏看一些局部流态。然而，运用VR技术，研究者可以身临其境地进入三维流态内，四处随意观察，既清晰、形象、直观，也可防止视线死角，发现一些之前不易发现的细部流态，加深对水泵水轮机能量转换机理的认识。

2.3 水泵水轮机典型工作点流态

本文选取了所计算水泵水轮机5个不同工况下典型工作点的流态进行展示与分析，各工作点参数如表2所示。其中，n11表示单位转速，Q11表示单位流量，定义式分别如下：

表2 各工作点参数

(1)

(2)

式中：H表示水轮机工作水头；n表示水轮机转速；Q表示水轮机流量。

2.3.1 水泵工况

当水泵水轮机处于水泵工况时，转轮以水泵方向旋转，向上游抽水，水流从尾水管流向蜗壳。当其在水泵工况的高效点附近运行时，转轮、导叶以及尾水管之中的流态均比较平顺，叶道内流线与叶片基本平行，水流入流角与叶片进口角近似相等，入流条件较好，流动的相对速度从转轮的进口处到出口处逐渐增大。如图3(a)、(b)所示，各部位流态较为稳定，导叶部位有轻微的脱流，尾水管内也仅有局部扰动现象，没有明显的涡存在，流态好，机组运行稳定。当抽水流量减小时，水泵水轮机偏离设计工况，效率明显下降，流动不均匀，出现流动分离、旋转失速等现象，此时的流动特性在之前已有较多相关的研究，如参考文献[5]。

图3 水泵工况某工作点(点1)流态图

2.3.2 水泵制动工况

在水泵水轮机运行过程中若出现突然断电，则水泵水轮机会进入水泵制动工况，这是一个特殊的工作状态，转轮转动方向仍与水泵工况相同，而水流流向从水泵方向变为水轮机方向，由蜗壳流向尾水管。此时，水泵水轮机内流态复杂，转轮叶道内大部分被堵塞。当水流流经导叶区域进入转轮时，会冲击叶片进口压力面，形成局部高压，并且入流量越大，压力也会越高，同时耗散一大部分能量。叶片对水流的强烈作用会使其在吸力面侧发生流动分离，形成涡结构，水流主要从压力面侧进入转轮，如图4(a)所示，叶道内水流为螺旋形的三维流动，借用VR技术能清晰地展示这类三维流动的细节。在水泵制动工况下，虽然总流量的方向是水轮机方向，但在尾水管的中部存在着较强的回流，如图4(b)。

图4 水泵制动工况某工作点(点2)流态图

2.3.3 水轮机工况

在水轮机工况下，转速方向变为水轮机转向，转速较低时，流量处于超负荷状态，流态与水泵制动区低转速工况类似，但水流对压力面的冲击作用以及流动分离现象减弱。当转速增加到水轮机工作的最佳条件附近时，水流流态将再次变得平顺，叶片压力面附近仅存在轻微脱流，但没有明显的涡结构，见图5(a)。随着转速的继续增加，水流与叶片进口发生撞击，使叶片进口稍后区域出现不同程度的旋涡，水流不能平顺地沿着转轮流道流出，流动分离将再次出现，高速水流靠近吸力面。在尾水管进口处，高速水流靠近壁面而中部存在螺旋流动，如图5(b)所示。

图5 水轮机工况某工作点(点3)流态图

2.3.4 水轮机制动工况

随着转轮转速的继续增加，流量大幅减小，水泵水轮机进入水轮机制动工况，转轮转动方向和水流流向均与水轮机工况保持一致。由于转轮进口处巨大的离心力作用、出口处圆周运动的影响以及过流通道内流量的减小，水流能量被转轮叶片的剧烈冲击所耗散，同时产生强烈的流动分离并出现尺度较大的涡结构，进口处还会形成空间螺旋形横向流动，转轮内流动非常混乱，可见流线十分紊乱，如图6(a)。尾水管流态从入口开始便以复杂螺旋流态为主，进口直锥段存在大范围回流，如图6(b)所示，这时产生的压力等参数的脉动将对机组稳定性造成严重影响。

2.3.5 反水泵工况

随着流量的继续减小，水泵水轮机越过零流量点进入反水泵区，此时转轮以水轮机方向高速旋转，产生强烈的离心力使水流向上流动。反水泵工况水流几乎垂直撞击叶片吸力面，使水流主要集中从靠近转轮出口处的叶片吸力面侧进入转轮，同时压力面侧附近存在少量回流，转轮内流动较为不稳定。在导叶区域其流动十分不均匀，存在大量的涡结构，从转轮流出的水流会垂直撞击导叶尾部，并贴近其一侧流动。这种流态此前未见报道，可能是导叶力矩波动较大的原因。反水泵小流量工况下，转轮及导叶区域内流态极其紊乱，存在大量不稳定的回流涡结构，如图7(a)示。在尾水管中下游区域流动均匀且流速较缓，直锥管壁内侧有少量涡结构。随着流量的增加，机组内将逐渐形成较稳定的涡流分布。

图7 反水泵工况某工作点(点5)流态图

3 结 语

2016年被称为是VR技术的元年，近年来，随着科技的发展，VR技术也得以机会逐渐进入了大众的视野[13]。可以预见的是，VR技术最终会成为一种重要的新平台、新媒介[14]，我们应当加大对VR技术的创新力度，不断推动VR技术的广泛普及应用[15]，借助VR技术的优势，弥补某些处理方法的不足之处。

为了解决水泵水轮机流态研究过程中传统后处理展示方式不够直观、生动的缺点，本文引入了VR虚拟现实技术，探索了基于EnSight的VR实现方法，并以国内某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象，使用Fluent软件进行数值模拟计算，用EnSight软件进行后处理并实现计算结果的VR虚拟现实显示。同时，本文对该水泵水轮机5个不同工况下典型工作点的流态特征进行了展示与分析，总结了其大致规律。通过本研究的实践证明，此种结合VR显示技术的后处理方法能够使观察者做到“身临其境”，便捷、形象、生动、无死角地获得水泵水轮机各处流场信息，随着VR技术的进一步普及，VR技术在复杂流态特性的研究中有望被广泛运用。